新能源光伏發電系統中的故障診斷與處理技術研究

摘要：結合新能源光伏發電系統特點，針對相關故障診斷和處理技術展開探究。闡述光伏發電系統中逆變器故障、光伏組件接線盒損壞、輸電線路接觸不良、變壓器故障等故障類型的特征，分析智能診斷、人工巡檢、紅外熱成像等故障診斷技術的基本原理和應用價值。針對某光伏發電站運維案例，展示相關技術在實際運維中的協同應用流程，并結合實際數據，發現多技術融合方法可以提升故障診斷效率和處理能力。

關鍵詞：光伏發電系統 變壓器 故障診斷 處理

Research on Fault Diagnosis and Handling TechnologyStrategies in New Energy Photovoltaic Power Generation Systems

ZHANG Haibo

Guoneng Taicang Power Generation Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu Province， 215433 China

Abstract[wl3]"： It ：eExploringes relevant fault diagnosis and handling technologies based oncombined with the characteristics of new energy photovoltaic power generation systems. It elaborates onFirstly， the characteristics of inverter faults， damage to photovoltaic module junction boxes， poor contact of transmission lines， "and transformer faults and other types of faults in photovoltaic power generation systems are explained. The basic principles and application value of intelligent diagnosis， manual inspection， infrared thermal imaging and other fault diagnosis technologies are analyzed. Based onIn response to a case study of photovoltaic power station operation and maintenance， it demonstrates the collaborative application process of relevant technologies in actual operation and maintenance， and combines actual data to discover multi technology integration methods that can improve fault detection diagnosis efficiency and processing capabilities.

Key Wwords： New energy Pphotovoltaic power generation system; Transformer; Common Ffaults ; dDiagnosis; HandlingDispose

光伏發電是一種清潔、可再生的能源形式，在當前可持續發展理念全面貫徹的背景下，這種發電模式逐漸成了各國發展戰略的關鍵構成，并且在推動能源結構優化、實現“雙碳”目標中更是發揮著重要作用。近些年，光伏裝機容量呈現出了快速增長的趨勢，在此背景下，系統穩定性、運維效率也成為行業關注的焦點。因為光伏系統結構復雜且運行環境多變，所以往往會頻繁出現各種故障問題，給系統發電性能、經濟性造成了極大影響。傳統大多采取人工巡檢、經驗判斷的故障診斷方式，但其已無法滿足現代光伏電站高效運維的需求。對此，有必要結合具體的故障問題，研究針對性、可行性的故障診斷技術與處理手段。

1. 光伏系統常見故障分析

1.1 逆變器故障

逆變器是系統中極為重要的電力轉換設施，主要作用是轉換光伏組件所產生直流電為交流電，之后供給電網，或負載進行使用。逆變器故障屬于常見、嚴重的故障之一，一旦故障出現，系統的停運就會發生，導致系統發電效率、穩定性受到影響。逆變器故障存在諸多的類型，如電氣組件損壞、散熱系統與軟件故障等，故障的出現通常是因逆變器長期的高負荷運行、環境因素的綜合作用所致，也可能會因設備本身的老化而出現。故障發生時，逆變器的正常工作會受到影響，最終致使直流電向交流電的轉化受到制約，也可能會影響輸出電能的質量，導致系統穩定并網運行受限。

1.2 光伏組件接線盒損壞

光伏組件接線盒的主要作用是連接，在光伏組件、逆變器間充當著橋梁紐帶的作用，可以達到匯集、保護組件所輸出電流的目的。接線盒中涉及的電氣元件較多，包括保險絲、接線端子等，此類電氣元件在長久的運行中，難免會在環境變動、機械損傷等綜合因素的共同作用下而出現故障問題。一旦損壞現象出現，特別是在出現接線端子松動、短路或絕緣材料老化等情況時，電氣短路問題就會產生^[1]。受短路問題的影響，組件所輸出電流也會呈現異常的情況，嚴重時，電氣火災等安全事故會由此產生。接線盒損壞既會影響局部電路的效用，也會給部分組件的正常發電造成制約，甚至可能會給其相連的更多組件帶來影響，最終串聯電路故障就會由此引發。

1.3 輸電線路接觸不良

電纜在光伏系統中的作用是通過組件或逆變器向電網、負載端方面輸送電能。一般，接線端子、電纜接觸部位等是接觸不良故障發生的主要區域，并且電纜老化、磨損處也會發生接觸不良的情況。一旦出現接觸不良，會制約電流流動，最終影響電能傳輸。此類故障可能會減少電力輸出并降低發電率，也極有可能會引發其他方面的問題，包括電流波動、電壓不穩等，最終危及系統整體的運行。在低效傳輸問題長期存在的情況下，電纜過熱現象就會產生，最終導致火災發生概率大幅增加。同時，因輸電線路大多采取地下埋設的方式，或在無法接觸的位置進行固定，因此，早期的接觸不良癥狀很難被有效察覺，這也給診斷、維修與修復帶來了困難^[2]。

1.4 變壓器故障

變壓器作為光伏發電系統中的關鍵構成，具備轉換低電壓直流電為標準交流電的作用，可為電能的有效輸送提供保障。但變壓器在運行中也極易出現故障問題，會影響系統電壓的穩定性，也會給電力輸出系統運行帶來制約。如繞組短路故障，該方面短路主要涉及兩種，即匝間、相間短路，前者會因絕緣老化、機械振動等因素損壞繞組導線絕緣層，造成局部短路的同時，環流與過熱現象就會出現。后者指的是繞組相間絕緣失效的情況下，會產生短路電流，還可能會伴隨電弧放電，導致變壓器內部結構遭到損壞。再如過載、過熱故障，在天氣因素的影響下，光伏發電系統運行中輸出功率波動較大，此時在變壓器容量設計不夠，或冷卻系統失效時，導致其長期處于過載運行狀態，就會加速絕緣材料的老化，最終引發變壓器故障。

1. 光伏系統常見的故障診斷與處理技術

2.1 智能診斷技術

智能診斷技術主要是在人工智能、大數據等技術支持下，實時監測光伏發電系統運行狀態，結合對比歷史數據，進而識別、定位系統各類故障。相關技術可以綜合分析電流、電壓、功率、溫度等數據，提取關鍵特征，結合利用決策樹、支持向量機等算法，建立故障判別模型。近年來，該技術的應用非常熱門，其優點是診斷速度快、準確性高，可以全天候在線監測^[3-4]。

在光伏系統的故障診斷中，智能診斷技術特別適用于逆變器故障和變壓器故障檢測，針對設備輸出參數的異常波動進行建模，及時發現逆變器內部元件損壞，鎖定控制回路異常、變壓器溫升異常等問題。同時，智能診斷也可以輔助判斷輸電線路接觸不良和組件接線盒損壞，支持運維團隊綜合判斷系統整體運行效率下降的原因。

2.2 人工巡檢

在光伏系統運維過程中，人工巡檢是非常簡單且不可或缺的故障診斷方法，主要是由專業運維人員定期對光伏組件、逆變器、輸電線路、變壓器等關鍵設備進行現場檢查。工作人員通過目視觀察、手動檢測，結合儀表工具測試，直觀發現接線端子松動、接線盒燒毀、設備外觀異常高溫等故障。人工巡檢的優點是靈活性極強、成本低，在典型與偶發性故障診斷方面的效果較好，同時可以及時處理現場突發狀況。當巡檢中發現簡單的故障問題時，可以及時更換損壞部件，防止事故擴大。

該方法尤其適用于識別光伏組件接線盒損壞和輸電線路接觸不良等故障類型，這些故障表現肉眼可見，或通過簡單儀表即可判斷。但是，在隱蔽性較強或瞬時性故障診斷方面，人工巡檢則存在不足，需要其他專業技術方法支持。

2.3 紅外熱成像技術

紅外熱成像技術主要是利用紅外攝像設備檢測光伏系統各部溫度分布情況，捕捉溫度異常區域，發現早期故障。這是非常經典的非接觸式、無損壞檢測方法，可以快速掃描，進行大面積檢測。紅外線成像技術可以快速識別因電氣連接不良導致的局部過熱現象。例如：當光伏組件接線盒損壞或內部焊點存在虛焊時，會產生“熱點”，通過紅外成像，可以直觀反映出溫度異常區域。同時，輸電線路接觸不良或逆變器內部功率器件損壞時，也會出現局部過熱現象。另外，紅外熱成像可以用于監測變壓器異常升溫，提前預警各種故障。該技術尤其適合大規模光伏電站快速排查，有效提升運維效率和安全水平^[5]。

2.4 在線監測與遠程運維系統

隨著物聯網與通信技術的發展，光伏發電系統普遍應用在線監測和遠程運維平臺，可以對系統運行狀態進行實時數據采集。結合可持續的遠程分析，部署各類傳感器，結合數據采集終端，全方位在線監控逆變器、組件、輸電線路、變壓器等關鍵節點。

監測系統檢測到參數超限或異常變化時，可自動報警，通知運維人員，支持運維單位的快速響應。該技術足夠高效，可覆蓋光伏系統的各設施，尤其適用于地理分布廣泛的大型光伏電站，可以同時監控多臺設備。另外，在挖掘分析歷史數據的基礎上，還能夠實現趨勢預測，為設備預防性維護提供科學依據。

1. 光伏系統常見故障的處理策略

某100 MW地面光伏電站位于華北平原某地，電站總裝機容量100 MW，采用多組串組網設計，包含120 000塊多晶硅光伏組件、50臺2 MW集中式逆變器、5條35 kV輸電線路與3臺主變壓器。電站自投運以來，積極引進各種先進的故障診斷技術，并逐步摸索建立了一套成熟的故障預測、診斷、管理體系。

3.1 逆變器故障的智能診斷與處理

該100 MW光伏電站的實際運行中，2023年8月發生了一起逆變器故障事件。在環境溫度比較高的情況下，運維系統生成報警信息：某2 MW逆變器輸出功率突降，由額定功率1.98 MW驟降至1.25 MW，并伴有輸出電壓不穩定和逆變器內部溫度持續升高的問題，尤其是逆變器溫度達到85 ℃，遠超50 ℃額定溫度。同時，系統采集的數據顯示交流側諧波分量大幅度提升，超出國家標準限值，失真度達到8%（正常應小于5%）。智能診斷系統結合歷史數據對比，判定為逆變器主功率器件可能損壞，推送報警至運維團隊。

收到報警后，運維團隊第一時間通過遠程運維平臺調取該逆變器近一周的運行數據，對比各項電氣參數變化趨勢，遠程下達停機指令，避免故障擴大。隨后，現場技術人員攜帶便攜式紅外熱成像儀趕赴現場，對逆變器內部元件進行詳細檢測。紅外圖像顯示其中一組絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊區域明顯過熱，溫度高達93 ℃，其他模塊僅為55 ℃。結合智能診斷和紅外熱成像結果，最終確認故障部位。運維團隊迅速更換損壞的IGBT模塊，清理維護冷卻系統。修復后，通過在線監測系統對逆變器重新上線試運行，各項輸出參數恢復正常，發電效率回升至1.97 MW，有效避免了大范圍停機損失。

3.2光伏組件接線盒損壞的智能診斷與處理

2023年9月，電站運維團隊在例行在線監控時，發現某一涉及5 000塊組建的區塊的輸出電流異常波動，日均輸出功率較歷史同期下降約12%。監控系統沒有定位具體故障點，但通過智能診斷平臺分析發現，該區域多組串的輸出電流不一致，部分組串出現電流突降現象。例如：某組串最大電流僅為5.1 A，相比正常值6.2 A有明顯偏差，初步判斷可能存在接線盒損壞或局部遮擋等問題。

針對該現象，運維團隊組織現場排查，并優先采用紅外熱成像技術掃描該區域所有組件。紅外檢測過程中，技術人員在多處組件背面發現典型的“熱點”異常，即部分接線盒區域溫度達到72 ℃，正常接線盒溫度應該是3 8℃左右。為進一步確認問題，技術人員對熱點位置進行人工檢查，拆卸接線盒后發現內部連接片已燒蝕、絕緣層老化脫落，部分端子有明顯變色和焦煳痕跡。結合紅外熱成像與人工巡檢結果，最終確認該塊區域共計34塊光伏組件存在接線盒損壞。對此，運維團隊及時更換全部受損接線盒，并對相關組串進行絕緣和電氣性能測試。維修后，該區域輸出電流恢復至正常水平（6.2 A），整體發電量回升。該案例充分體現了紅外熱成像在大規模光伏陣列隱性故障篩查中的高效性，以及人工巡檢在最終確認與處理過程中的不可替代作用。

4 結語

綜上所述，光伏發電系統作為綠色能源的重要組成部分，需要充分保障其安全穩定運行。在現代技術快速發展的背景下，智能診斷、紅外熱成像等技術可助力快速、準確診斷新能源光伏系統的各類故障。在此基礎上，結合傳統的人工巡檢方法，可以更好地處置各種故障問題，維護系統的穩定、高效運行。未來，隨著大數據、人工智能等新技術的進一步發展，光伏電站的智能化運維水平將持續提升，全面推動新能源行業的高質量發展。

參考文獻：

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